JP2019179193A

JP2019179193A - 光変調器

Info

Publication number: JP2019179193A
Application number: JP2018069370A
Authority: JP
Inventors: 孝知伊藤; Takatomo Ito; 佳澄石川; Yoshizumi Ishikawa; 高野　真悟; Shingo Takano; 真悟高野
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2019-10-17
Anticipated expiration: 2038-03-30
Also published as: US11397342B2; EP3779540A1; JP7059758B2; CN111936903A; WO2019187899A1; EP3779540B1; US20210018771A1; EP3779540A4

Abstract

【課題】光ファイバと光導波路との光結合調整を容易に行うことが可能であり、光損失が抑制された光変調器を提供する。【解決手段】電気光学効果を有する基板１０と、基板に設けられた光導波路２０と、光導波路の一端に接着された光ファイバ３１と、光ファイバの端部に設けられた固定部材４１と、光ファイバと基板とを接着する光学接着剤層５０と、を有し、光導波路の一端は、基板の端面に配置され、光学接着剤層は、光ファイバ、固定部材および基板を接着するとともに、光ファイバの端面と光導波路の一端とを光学的に結合し、基板の端面に面する固定部材の面の表面粗さは、固定部材の面に面する基板の端面の表面粗さと異なる光変調器。【選択図】図２

Description

本発明は、光変調器に関する。

従来、基板上に光導波路が形成された光変調素子が提案されている。光変調素子の光入出力は、光変調素子における入出力端に光学接着剤を用いて光ファイバを接着し、固定して行うことがある。以下、本明細書においては、光変調素子における入出力端に光ファイバが固定された構成を「光変調器」と称する。

光ファイバは、光を伝搬するコア部と、コア部を中心として同心円状に形成されるクラッド部とを有する構成が知られている。光ファイバにおいて、コア部の直径は１０μｍ程度であり、クラッド部まで含んだ光ファイバ全体の直径は１２５μｍ程度である構成が知られている。このような光ファイバの端部の面積は、光変調素子の端面の面積に比べて小さい。

このため、従来の光変調器は、光ファイバの端部が光変調素子の端面に接着固定された場合、接着固定された部分（接着固定部）の接着強度が十分に確保できず、接着固定部に負荷がかかると光ファイバが外れるなどの問題が生じやすかった。

このような課題に対し、光ファイバの端部に取り付ける治具を用い、光ファイバと治具とを一体として光変調素子に対する接着面積を増やし、光変調素子の端部に接着した構成の光変調器が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような光変調器では、光ファイバの接着強度を高めるとともに、接着固定部の光ファイバにかかる負荷を低減することができる。本明細書においては、このような治具を「固定部材」と称する。

特開２０１２−０４７８６５号公報

光変調素子の端部に光ファイバを固定する際には、光ファイバの端面と光導波路の端面とをサブミクロン以下の精度で正確に位置合わせし、光ファイバと光導波路との接続位置での光損失を抑制することが求められる。そのため、通常は、光学接着剤を介して光変調素子の端面と光ファイバが挿入された固定部材の端面とを突き合わせた後、光変調素子の端面の面内方向に光ファイバが挿入された固定部材の端面を移動させながら、光ファイバの端面と光導波路の端面との位置合わせ（光結合調整）を行う。これにより、光損失を抑制しながら光ファイバと光変調素子とを接続することができる。

一方、光ファイバの端面や光変調素子の端面は、光信号の乱反射による損失を抑制するため、通常は鏡面加工がされている。そのため、光学接着剤を介して光ファイバの端面と光変調素子の端面とを突き合わせると、周囲の大気圧により端面同士が吸着し、固定され易くなる。このような吸着が生じると、光変調素子の端面の面内方向に光ファイバの端面を移動させにくく、光ファイバと光導波路との光結合調整が困難となっていた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、光ファイバと光導波路との光結合調整を容易に行うことが可能であり、光損失が抑制された光変調器を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の一態様は、電気光学効果を有する基板と、前記基板に設けられた光導波路と、前記光導波路の一端に接着された光ファイバと、前記光ファイバの端部に設けられた固定部材と、前記光ファイバと前記基板とを接着する光学接着剤層と、を有し、前記光導波路の一端は、前記基板の端面に配置され、前記光学接着剤層は、前記光ファイバ、前記固定部材および前記基板を接着するとともに、前記光ファイバの端面と前記光導波路の一端とを光学的に結合し、前記基板の端面に面する前記固定部材の面の表面粗さは、前記固定部材の面に面する前記基板の端面の表面粗さと異なる光変調器を提供する。

本発明の一態様においては、前記固定部材の面の表面粗さは、前記固定部材の面に面する前記基板の端面の表面粗さよりも大きい構成としてもよい。

本発明の一態様においては、前記固定部材の面に面する前記基板の端面の表面粗さＲａ_１と、前記固定部材の面の表面粗さＲａ_２との差は、０．２μｍ以上である構成としてもよい。

本発明の一態様においては、前記表面粗さＲａ_１は０．２μｍ以下であり、前記表面粗さＲａ_２は０．４μｍ以上３μｍ以下である構成としてもよい。

本発明の一態様においては、前記光ファイバの端面と前記基板の端面との離間距離は、前記固定部材の面と前記基板の端面との離間距離よりも大きい構成としてもよい。

本発明の一態様においては、前記固定部材は、前記光ファイバを挿通可能な貫通孔を有する筒状部材である構成としてもよい。

本発明によれば、光ファイバと光導波路との光結合調整を容易に行うことが可能であり、光損失が抑制された光変調器を提供することができる。

光変調器１の概略斜視図である。光変調器１の平面視における一部拡大図である。固定部材の変形例を示す説明図である。固定部材の変形例を示す説明図である。固定部材の変形例を示す説明図である。

以下、図１〜図５を参照しながら、本実施形態に係る光変調器について説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてある。

図１は、光変調器１の概略斜視図である。
図１，２に示すように、光変調器１は、基板１０、光導波路２０、補助部材１１１，１１２、光ファイバ３１，３２、固定部材４１，４２、光学接着剤層５０を有している。

なお、以下の説明においてはＸＹＺ座標系を設定し、このＸＹＺ座標系を参照しつつ各部材の位置関係を説明する。この際、基板１０の厚さ方向をＺ軸方向、基板１０の長手方向をＸ軸方向、基板１０の幅方向をＹ軸方向とする。

ここで、本実施形態の光変調器１を「平面視」する視野とは、Ｚ軸方向からの視野を意味する。

基板１０は、電気光学効果を有する材料を形成材料とする平面視矩形の板状部材である。基板１０の形成材料としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３：ＬＮ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ジルコン酸チタン酸ランタン（ＰＬＺＴ）などの結晶材料を用いることができる。

基板１０の形成材料として結晶材料を用いる場合、結晶材料を形成材料とする板材に対するＴｉ等の金属の熱拡散、エッチング加工によるリブ形成、プロトン交換などの公知の技術を用いることで、光導波路を形成することができる。

また、基板１０の形成材料として、有機非線形光学化合物を高分子材料中に分散させた有機電気光学高分子材料も用いることができる。

基板１０の形成材料として有機電気光学高分子材料を用いる場合、まず、シリコンや石英などを基材とし、屈折率の異なる２種以上の高分子材料を用いて、基材上に低屈折率層、高屈折率層および低屈折率層の順に積層する。このとき、高屈折率層や低屈折率層に対し、エッチング加工やインプリントによる成形を施すことにより、光導波路をパターニングする。基板１０は、有機電気光学高分子材料を高屈折率層と低屈折率層の少なくとも一部に用いることにより形成することができる。

光導波路２０は、基板１０上において基板１０の長手方向に形成されている。図１に示すように、本実施形態の光変調器１が有する光導波路２０は、単一のマッハツェンダ型光導波路である。光導波路２０の一端２０ａは、基板１０の一端面１０ａに配置され、光導波路２０の他端２０ｂは、基板１０の他端面１０ｂに配置されている。

光導波路２０は、基板１０の長手方向に延在する２本の平行な第１導波路２１および第２導波路２２を有している。光導波路２０の一端２０ａから光導波路２０の内部に入射した偏波は、第１導波路２１および第２導波路２２にそれぞれ分岐して伝播する。

光変調器１は、平面視において、第１導波路２１、第２導波路２２の近傍に、不図示の信号電極と接地電極とを有している。信号電極および接地電極は、信号電極と接地電極との間に印加した電界により、光導波路２０の屈折率を変化させる。これにより、光導波路２０を伝播する直線偏光の変調を行う。

信号電極および接地電極の種類は特に限定されない。例えば、ＬｉＮｂＯ_３など結晶基板を基板１０として用いる電気光学素子では、コプレーナ線路を採用することが多い。また、有機電気光学高分子材料を用いた基板を基板１０として用いる電気光学素子では、マイクロストリップ線路を採用することが多い。

補助部材１１１，１１２は、基板１０の表面に接着された板状の部材である。

補助部材１１１は、平面視において基板１０の長手方向の一端面１０ａ側であって、光導波路２０の一端２０ａと重なる位置に設けられている。

補助部材１１２は、平面視において基板１０の長手方向の他端面１０ｂ側であって、光導波路２０の他端２０ｂと重なる位置に設けられている。

補助部材１１１の一端面１１１ａは、基板１０の一端面１０ａ側の面と同一平面となるように設けられている。

一端面１１１ａと一端面１０ａ側の面とを同一平面に形成する方法として、補助部材を設けた後にダイサーなどによる精密切断によって端面形成を行う方法や、端面を研磨し、平坦化する方法などが挙げられる。

補助部材１１２の他端面１１２ａは、基板１０の他端面１０ｂ側の面と同一平面となるように設けられている。

補助部材１１１，１１２の形成材料としては、基板１０と同じ材料を用いることができる。また、補助部材１１１，１１２の形成材料としては、シリコン基板、ガラス基板、セラミックス基板なども用いることができる。

補助部材１１１および補助部材１１２は、光ファイバ３１および光ファイバ３２と基板１０との接続を容易にする機能を有している。すなわち、補助部材１１１の一端面１１１ａによって、基板１０の一端面１０ａを拡張することができ、光ファイバ３１が接着された後述の固定部材４１の接合端面全体を一端面１０ａに接合することができる。これにより、光ファイバ３１と一端面１０ａとの接着強度を増加することができる。

同様に、補助部材１１２の他端面１１２ａによって、基板１０の他端面１０ｂを拡張することができ、光ファイバ３２が接着された後述の固定部材４２の接合端面全体を他端面１０ｂに接合することができる。これにより、光ファイバ３２と他端面１０ｂとの接着強度を増加することができる。

光ファイバ３１は、光信号を伝搬するコアと、コアの外側に同心状に設けられたクラッドとを備える。

光ファイバ３１，３２の直径は、例えば、１２５μｍ程度である。光ファイバ３１，３２のコアの直径は、例えば、１０μｍ程度である。

光ファイバ３１は、筒状の固定部材４１に挿入され、固定部材４１とともに基板１０の一端面１０ａに接着されている。このとき、光ファイバ３１のコアは、光導波路２０の一端２０ａと光学的に接続されている。固定部材４１の形成材料としては、ガラスやセラミックスを用いることができる。

同様に、光ファイバ３２は、筒状の固定部材４２に挿入され、固定部材４２とともに基板１０の他端面１０ｂに接着されている。このとき、光ファイバ３２のコアは、光導波路２０の他端２０ｂと光学的に接続されている。

図２は、光変調器１の平面視における一部拡大図であり、固定部材４１の周辺構造を説明する説明図である。

固定部材４１は、光ファイバ３１の一端３１１に設けられた筒状部材である。固定部材４１の端面４１ａは、基板１０の一端面１０ａに面し、光学接着剤層５０を介して基板１０の一端面１０ａに接着されている。固定部材４１が有する貫通孔４１１には、光ファイバ３１が挿入されている。

光学接着剤層５０は、光ファイバ３１、固定部材４１および基板１０を接着するとともに、光ファイバ３１の端面３１ａと光導波路２０の一端２０ａとを光学的に結合している。図では、光学接着剤層５０が貫通孔４１１の内部に侵入し、光ファイバ３１の端面３１ａに接触していることとしている。

なお、光ファイバ３１と固定部材４１とは、光結合調整時に互いに固定されていてもよい。
また、光ファイバ３１と固定部材４１は、光結合調整時には互いに固定されておらず、固定部材４１と基板１０とを接着する際に、あわせて光ファイバ３１と固定部材４１とも固定されることとしてもよい。

光学接着剤層５０を構成する光学接着剤は、通常知られた材料を用いることができる。

本発明の光変調器１においては、固定部材４１の端面４１ａの表面粗さは、基板１０の一端面１０ａの表面粗さと異なっている。そのため、光学接着剤を介して光ファイバ３１の端面３１ａと基板１０の一端面１０ａとを突き合わせたとしても、周囲の大気圧による端面同士の吸着が生じ難く、吸着が抑制されやすい。そのため、基板１０の一端面１０ａの面内方向に光ファイバ３１および固定部材４１を移動させやすく、光ファイバ３１と光導波路２０との光結合調整が容易となる。

本実施形態においては、固定部材４１の端面４１ａの表面粗さは、固定部材４１の端面４１ａに面する基板１０の一端面１０ａの表面粗さよりも大きい。

また、基板１０の一端面１０ａの表面粗さを固定部材４１の端面４１ａの表面粗さよりも大きくすることも可能である。しかし、基板１０の一端面１０ａの表面粗さを大きくすると、光導波路２０の一端２０ａの表面粗さが大きくなり、光信号を散乱させるおそれがある。対して、本実施形態のように固定部材４１の端面４１ａの表面粗さを大きくすることにより、上述のような光導波路２０の一端２０ａにおける光信号の散乱を抑制することができる。

また、固定部材４１と光ファイバ３１とは個別の部材であるため、個別に加工し、それぞれの表面粗さを異なるように調整することができる。例えば、光ファイバ３１の端面３１ａの表面粗さよりも固定部材４１の端面４１ａの表面粗さを大きくした場合、光ファイバ３１の端面３１ａにおける光信号の散乱を抑制することができる。

基板１０の一端面１０ａの表面粗さＲａ_１と、固定部材４１の端面４１ａの表面粗さＲａ_２との差は、０．２μｍ以上であることが好ましい。
また、一端面１０ａの表面粗さＲａ_１は０．２μｍ以下であり、端面４１ａの表面粗さＲａ_２は０．４μｍ以上３μｍ以下であることが好ましい。
一端面１０ａの表面粗さＲａ_１および端面４１ａの表面粗さＲａ_２が上記範囲であると、各部材の加工が容易であり、光結合の調整が容易となる。

なお、本実施形態において「表面粗さＲａ_１」「表面粗さＲａ_２」は、ＪＩＳＢ０６０１に規定する方法で測定した「算術表面粗さＲａ」の値を採用する。

光ファイバ３１の端面３１ａは、図２に示すように、貫通孔４１１の途中に位置していることが好ましい。光ファイバ３１の端面３１ａは、光導波路２０の一端２０ａ側からの視野において、固定部材４１の端面４１ａよりも窪んだ位置に配置している。すなわち、光ファイバ３１の端面３１ａと基板１０の一端面１０ａとの離間距離は、固定部材４１の端面４１ａと基板１０の一端面１０ａとの離間距離よりも大きい。

このような構成を採用する光変調器１においては、光結合の調整の際に光ファイバ３１の端面３１ａが傷付きにくく、光ファイバ３１の端面３１ａでの光散乱を抑制することができる。

固定部材４２の端面４２ａの表面粗さと基板１０の他端面１０ｂの表面粗さとの関係は、上述した固定部材４１の端面４１ａの表面粗さと、基板１０の一端面１０ａの表面粗さとの関係と同様に制御すると好ましい。

すなわち、固定部材４２の端面４２ａの表面粗さは、基板１０の他端面１０ｂの表面粗さと異なっており、固定部材４２の端面４２ａの表面粗さは、基板１０の他端面１０ｂの表面粗さよりも大きいことが好ましい。
基板１０の他端面１０ｂの表面粗さＲａ_１と、固定部材４２の端面４２ａの表面粗さＲａ_２との差は、０．２μｍ以上であることが好ましい。
また、他端面１０ｂの表面粗さＲａ_１は０．２μｍ以下であり、端面４２ａの表面粗さＲａ_２は０．４μｍ以上３μｍ以下であることが好ましい。

このような構成とすることで、基板１０の他端面１０ｂの面内方向に光ファイバ３２および固定部材４２を移動させやすく、光ファイバ３２と光導波路２０との光結合調整が容易となる。

固定部材４１の端面４１ａの表面粗さと、固定部材４２の端面４２ａの表面粗さとは、同じであっても異なっていてもよい。固定部材４１の端面４１ａの表面粗さと、固定部材４２の端面４２ａの表面粗さとが同じであると、固定部材４１および固定部材４２として同じ部材を使用可能となり好ましい。

基板１０の一端面１０ａの表面粗さと、他端面１０ｂの表面粗さとは、同じであっても異なっていてもよい。一端面１０ａの表面粗さと、他端面１０ｂの表面粗さとが同じであると、基板１０の一端面１０ａと、他端面１０ｂとに同じ加工を施すことで基板１０を調整することが可能となるため、製造が容易となり好ましい。
本実施形態の光変調器１は、以上のような構成となっている。

以上のような構成の光変調器１によれば、光ファイバ３１と光導波路２０との光結合調整を容易に行うことが可能であり、光損失が抑制された光変調器となる。

なお、本実施形態においては、固定部材４１の端面４１ａの表面粗さＲａ_２が基板１０の一端面１０ａの表面粗さＲａ_１よりも大きいこととしたが、表面粗さＲａ_２が表面粗さＲａ_１よりも小さいこととしてもよい。

また、本実施形態においては、筒状の固定部材４１，４２を用いることとしたが、これに限らない。

例えば固定部材はＶ溝を有するブロックとして、当該Ｖ溝に光ファイバ３１を固定する構成としてもよい。

この場合、ブロックの端面の表面粗さが、基板１０の端面の表面粗さと異なる構成とすることで、基板１０の端面の面内方向に光ファイバ３１および固定部材を移動させやすくなる。これにより、光ファイバ３１と光導波路２０との光結合調整が容易となる。

また、本実施形態においては、光導波路２０端部における光導波路の数および光ファイバ３１の数はそれぞれ１つとしたが、それぞれ複数でもよい。

基板１０に形成された光導波路と、複数の光ファイバ３１とは、ファイバーアレイ等のブロックを固定部材として用いて固定される構成が知られている。このように、光ファイバ３１が複数になると、複数の光ファイバを保持する固定部材が大型化し、固定部材の端面も大きくなる。その結果、基板１０の端面と固定部材の端面との間の吸着力が大きくなり、光結合の調整が困難になる傾向にある。

このような構成に対し、本発明を適応し、固定部材の端面の表面粗さを基板の端面の表面粗さと異なる構成とすると、複数の光ファイバ３１と複数の光導波路の端面との光結合調整を容易に行うことが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、補助部材１１１の一端面１１１ａの表面粗さを、固定部材４１の端面４１ａの表面粗さよりも小さくしてもよい。このような構成にすることで、補助部材１１１と固定部材４１との吸着を抑制することができ、光ファイバと光導波路との光結合調整を容易に行うことが可能となる。

同様に、補助部材１１２の一端面１１２ａの表面粗さを、固定部材４２の端面４２ａの表面粗さよりも小さくしてもよい。このような構成にすることで、補助部材１１２と固定部材４２との吸着をより抑制することができ、光ファイバと光導波路との光結合調整を容易に行うことが可能となる。

また、補助部材１１１の一端面１１１ａの表面粗さは、基板１０の一端面１０ａの表面粗さと同じであってもよい。同様に、補助部材１１２の一端面１１２ａの表面粗さは、基板１０の他端面１０ｂの表面粗さと同じであってもよい。

このような構成にすることで、補助部材の一端面における表面粗さと、基板１０の端面における表面粗さとが一様になるため、固定部材の表面粗さとの差も一様になり、光ファイバと光導波路との光結合調整を容易に行うことが可能となる。

また、図２では光ファイバ３１の端面３１ａと基板１０の一端面１０ａとの離間距離は、固定部材４１の端面４１ａと基板１０の一端面１０ａとの離間距離よりも大きいが、当該離間距離が同じでもよい。言い換えると固定部材４１の端面４１ａと基板１０の一端面１０ａとが同一平面となるようにしてもよい。

また、図２の構成において、光ファイバ３１の端面３１ａと基板１０の一端面１０ａとの間にレンズなどの光学部品を配置してもよい。この場合、当該光学部品は、固定部材４１の端面４１ａより窪んだ位置に配置される。

図３〜５は、固定部材の変形例を示す説明図である。

図３に示す固定部材４３は、貫通孔４３１を有する筒状部材であり、一端側に貫通孔４３１の中心軸Ｐの方向の視野において貫通孔４３１に重なる溝４３２を有する。これにより、固定部材４３の端面Ｓ１の面積は、溝４３２を有さない単純な円筒の端面の面積と比べて小さくなっている。

図４に示す固定部材４４は、貫通孔４４１を有する筒状部材であり、一端側に貫通孔４４１の中心軸Ｐの方向の視野において貫通孔４４１に重なりＸ字状に交差する溝４４２を有する。これにより、固定部材４４の端面Ｓ２の面積は、溝４４２を有さない単純な円筒の端面の面積と比べて小さくなっている。

図５に示す固定部材４５は、貫通孔４５１を有する筒状部材であり、一端側の外周縁４５２が面取りされている。これにより、固定部材４５の端面Ｓ３の面積は、面取りされていない単純な円筒の端面の面積と比べて小さくなっている。

これら固定部材４３〜４５においては、光学接着剤を介して基板の端面と突き合わせた際に、基板の端面に吸着したとしても、単純な円筒状の固定部材と比べて吸着の強度が小さくなる。そのため、固定部材４３〜４５を用いて光ファイバを固定すると、基板の端面の面内方向に光ファイバの端面を移動させやすく、光ファイバと光導波路との光結合調整が容易となる。

１…光変調器、１０…基板、２０…光導波路、２０ａ，３１１…一端、３１，３２…光ファイバ、３１ａ，４１ａ，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３…端面、４１，４２，４３，４４，４５…固定部材、５０…光学接着剤層、４１１，４３１，４４１，４５１…貫通孔

Claims

電気光学効果を有する基板と、
前記基板に設けられた光導波路と、
前記光導波路の一端に接着された光ファイバと、
前記光ファイバの端部に設けられた固定部材と、
前記光ファイバと前記基板とを接着する光学接着剤層と、を有し、
前記光導波路の一端は、前記基板の端面に配置され、
前記光学接着剤層は、前記光ファイバ、前記固定部材および前記基板を接着するとともに、前記光ファイバの端面と前記光導波路の一端とを光学的に結合し、
前記基板の端面に面する前記固定部材の面の表面粗さは、前記固定部材の面に面する前記基板の端面の表面粗さと異なる光変調器。
前記固定部材の面の表面粗さは、前記固定部材の面に面する前記基板の端面の表面粗さよりも大きい請求項１に記載の光変調器。
前記固定部材の面に面する前記基板の端面の表面粗さＲａ_１と、前記固定部材の面の表面粗さＲａ_２との差は、０．２μｍ以上である請求項１または２に記載の光変調器。
前記表面粗さＲａ_１は０．２μｍ以下であり、
前記表面粗さＲａ_２は０．４μｍ以上３μｍ以下である請求項３に記載の光変調器。
前記光ファイバの端面と前記基板の端面との離間距離は、前記固定部材の面と前記基板の端面との離間距離よりも大きい請求項１から４のいずれか１項に記載の光変調器。
前記固定部材は、前記光ファイバを挿通可能な貫通孔を有する筒状部材である請求項１から５のいずれか１項に記載の光変調器。